張 磊，任德順，劉成立

(四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610016)

輸變電工程典型設(shè)計(jì)是國(guó)家電網(wǎng)公司“三抓一創(chuàng)”重點(diǎn)工作之一;是國(guó)家電網(wǎng)公司實(shí)施集約化管理，統(tǒng)一工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范建設(shè)管理、合理控制造價(jià)的重要手段;是國(guó)家電網(wǎng)公司建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會(huì)，大力提高集成創(chuàng)新能力的重要體現(xiàn)［1］。

隨著輸變電工程典型設(shè)計(jì)的推廣使用，新建變電站逐漸采用高低構(gòu)架聯(lián)合出線，能減少占地，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但其帶來的變電站出線檔地線防雷保護(hù)問題，如采用傳統(tǒng)方法，計(jì)算和繪圖都較為復(fù)雜，耗時(shí)且易出錯(cuò)。為此，公司(四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，下同)基于Matlab開發(fā)了架空地線保護(hù)范圍的圖形化輔助軟件，提高了設(shè)計(jì)效率，保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量。該軟件應(yīng)用在公司所設(shè)計(jì)的數(shù)個(gè)變電站中，取得了良好的效果。

1 新型變電站的高低構(gòu)架出線

傳統(tǒng)變電站占地面積較大，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)需占用較多基本農(nóng)田，在川西高山地帶，山高坡陡，地形復(fù)雜，大于30°的山坡比比皆是，僅有的山間平壩多為人口密集點(diǎn)和耕作區(qū)，站址選擇更為困難。

“輸變電工程典型設(shè)計(jì)”是由國(guó)家電網(wǎng)公司基建部牽頭，聯(lián)合各省電力公司推廣應(yīng)用的變電站典型優(yōu)化設(shè)計(jì)。“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、工業(yè)化”(簡(jiǎn)稱“兩型一化”)是國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)新建變電站工程的實(shí)施細(xì)則要求［1］。

變電站典型設(shè)計(jì)配電裝置為戶外GIS，場(chǎng)地較小，采用高構(gòu)架和低構(gòu)架聯(lián)合出線，是合理和經(jīng)濟(jì)的，同時(shí)減少占地面積和節(jié)省用鋼量，降低了工程造價(jià)，外觀簡(jiǎn)單、整齊、美觀，也為電氣設(shè)備進(jìn)一步緊湊布置創(chuàng)造了條件，達(dá)到了整體優(yōu)化的效果［2］。

公司在川西地區(qū)的多個(gè)變電站采用高低構(gòu)架設(shè)計(jì)，減少占地面積，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2 高低構(gòu)架地線的保護(hù)范圍

但是，高低出線構(gòu)架布置方式存在著地線保護(hù)范圍問題，因受后側(cè)高構(gòu)架導(dǎo)線影響，前側(cè)低構(gòu)架無法按常規(guī)方式布置地線，整個(gè)構(gòu)架出線的防雷保護(hù)只能依靠高構(gòu)架上布置的地線。如果前側(cè)低構(gòu)架出線偏角大，將會(huì)偏出地線保護(hù)范圍，造成嚴(yán)重的安全隱患。

因雙排高低構(gòu)架的出線方式比較復(fù)雜，在設(shè)置地線時(shí)，需綜合考慮高構(gòu)架、低構(gòu)架布置的聯(lián)合保護(hù)范圍，以及低構(gòu)架地線與高構(gòu)架導(dǎo)線的安全距離。如何設(shè)定地線的根數(shù)、高度、距離、安裝位置等，需要進(jìn)行大量計(jì)算，用傳統(tǒng)的方法，無法精確計(jì)算每一點(diǎn)，為保證安全，往往采用提高地線支架高度和增加地線根數(shù)，造成浪費(fèi)。

圖1 某220 kV變電站高低構(gòu)架出線斷面圖

圖2 某220 kV變電站高低構(gòu)架出線平面圖

雙架空地線的保護(hù)范圍如圖 3［3－5］。

圖3 兩地線間的防雷保護(hù)范圍

因此，公司使用Matlab軟件，進(jìn)行高低構(gòu)架地線保護(hù)的圖像顯示和分析計(jì)算，在變電站設(shè)計(jì)中取得了良好的效果。

3 基于Matlab的地線保護(hù)范圍的圖像顯示和分析

3.1 Matlab 簡(jiǎn)介

Matlab為美國(guó)Match Works公司于1982年推出的高性能數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，可用于概念設(shè)計(jì)、算法開發(fā)、建模仿真、實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)理想的集成環(huán)境等。它具有編程效率高、程序設(shè)計(jì)靈活、圖形功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)發(fā)展成為應(yīng)用于多種學(xué)科、多種工作平臺(tái)的大型軟件［6，7］。

Matlab語言的強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算功能、數(shù)據(jù)可視化功能、2D/3D繪圖功能都為數(shù)據(jù)分析和處理提供了可靠的保證。利用2D/3D繪圖功能可對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行圖象化顯示。圖像結(jié)果處理后利用鼠標(biāo)拖動(dòng)可任意變換觀察角度以尋找最佳觀察角度，這一功能也是很多其他語言不具備的。

3.2 Matlab主程序和GUI界面設(shè)計(jì)

公司利用Matlab編制主程序，在三維空間中繪制導(dǎo)地線位置及架空地線保護(hù)范圍，在圖形中直觀顯示。同時(shí)，計(jì)算也給出導(dǎo)線是否在保護(hù)范圍之內(nèi)的文字結(jié)果，并給出導(dǎo)線保護(hù)范圍的具體位置。

架空地線保護(hù)范圍計(jì)算和分析主程序如下。

圖4 Matlab主程序流程

利用Matlab程序的圖形用戶界面(GUI)功能，可以設(shè)計(jì)出方便用戶使用的輸入式界面，輸入數(shù)據(jù)分為基本參數(shù)、地線參數(shù)和導(dǎo)線參數(shù)3種，其界面如圖5。

3.3 架空地線保護(hù)范圍的圖像顯示

借助于MTALAB的強(qiáng)大的計(jì)算和圖像處理能力，可以把國(guó)標(biāo)中架空地線防雷范圍用圖像表示出來。圖6是雙地線保護(hù)范圍的計(jì)算結(jié)果。利用Matlab中的函數(shù)功能把雙架空地線的保護(hù)范圍表示為一個(gè)分區(qū)函數(shù)，再利用Matlab的畫圖功能畫出其立體圖，然后在畫出三相導(dǎo)線的空間立體圖，從而清楚直觀地顯示出保護(hù)情況。對(duì)于3根及以上架空地線的情況同樣可以進(jìn)行圖像顯示。Matlab可以對(duì)所顯示的架空地線保護(hù)范圍進(jìn)行立體觀察，通過鼠標(biāo)拖曳可從不同角度觀察不同區(qū)域架空地線的立體保護(hù)范圍圖。

圖5 地線參數(shù)的輸入界面

圖6 計(jì)算結(jié)果三維圖形

如果導(dǎo)線在架空地線保護(hù)范圍外，程序會(huì)給出提示，給出出界的起止點(diǎn)坐標(biāo)和長(zhǎng)度。

4 應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)以某500 kV變電站的220 kV出線構(gòu)架為例，計(jì)算防雷保護(hù)，并繪制保護(hù)范圍圖。

該變電站共有500 kV出線8回，220 kV出線12回，因場(chǎng)地狹窄，出線眾多，220 kV出線使用了雙排高低構(gòu)架的方式，其中 1、3、4、5、6、9 號(hào)構(gòu)架為前排低架，導(dǎo)線掛線點(diǎn)高14 m。2、7、8號(hào)構(gòu)架為后排高架，前排導(dǎo)線掛線點(diǎn)高24 m，后排導(dǎo)線掛點(diǎn)24 m。

圖7 計(jì)算結(jié)果文字展示

圖8 構(gòu)架設(shè)計(jì)斷面圖

圖9 構(gòu)架設(shè)計(jì)平面圖

使用該程序，可模擬出架空地線在構(gòu)架上的安裝位置和導(dǎo)線的保護(hù)情況，讓設(shè)計(jì)人員直觀地預(yù)測(cè)架空地線的使用效果，并隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，直到得出最佳設(shè)計(jì)方案。使用該軟件計(jì)算出的高低構(gòu)架地線聯(lián)合保護(hù)范圍圖如圖10。

由此可以直觀得到，在后排高構(gòu)架2、7、8號(hào)間隔兩側(cè)、前排低構(gòu)架3、4號(hào)間隔之間，5、6號(hào)間隔之間布置地線支架，可以滿足防雷安全的需要。

圖10 高低構(gòu)架地線保護(hù)圖

圖11 高低構(gòu)架地線保護(hù)圖

5 結(jié)語

國(guó)網(wǎng)公司的變電站典型設(shè)計(jì)符合“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、工業(yè)化”的設(shè)計(jì)要求，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。其高低構(gòu)架出線的地線保護(hù)范圍與常規(guī)設(shè)計(jì)不同，傳統(tǒng)計(jì)算方法復(fù)雜且誤差較大。

公司在Matlab平臺(tái)下利用其強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力，開發(fā)計(jì)算繪圖軟件，完成架空地線架設(shè)的理論計(jì)算，并能直觀方便進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，滿足防雷安全。

在公司設(shè)計(jì)的多個(gè)變電站高低構(gòu)架出線配合中，使用該軟件進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，取得了較好的效果。

［1］劉振亞.國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程典型設(shè)計(jì)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2005.

［2］肖繼峰.現(xiàn)代新型變電站—淺談500 kV圣泉變電站的設(shè)計(jì)［J］.華中電力，2011，1(24):11－13.

［3］DL/T 620－1997，交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合［S］.

［4］GB 50057－1994，建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］張志涌.精通MATLAB 6.5版［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［6］張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2003.

［7］孫宇新，王紀(jì)俊.基于MATLAB的避雷針保護(hù)范圍的計(jì)算機(jī)輔助分析［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2002，14(6):63 －66.